上海大學(xué)《MRL》：靜磁場調(diào)控激光增材制造鈦合金組織并實現(xiàn)性能提升！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

2022年4月30日，南極熊獲悉，上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室主任任忠鳴教授團隊與法國電磁冶金領(lǐng)域權(quán)威專家Yves Fautrelle教授、法國增材制造權(quán)威專家Liao Hanlin教授、香港城市大學(xué)的呂堅院士合作，在靜磁場調(diào)控激光增材制造鈦合金微觀組織及性能控制方面取得新的進展。相關(guān)成果以“Enhanced mechanical properties of Ti6Al4V alloy fabricated by laser additive manufacturing under static magnetic field”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域國際著名期刊《Materials Research Letters》（IF=7.323）。論文第一作者為博士研究生趙睿鑫，通訊作者為上海大學(xué)的陳超越、王江老師，上海大學(xué)為唯一通訊單位。該項目得到了國家重點研究發(fā)計劃項目、中國國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、上海啟明星計劃、上海曙光計劃資助。

全文鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2022.2064195

激光增材制造（LAM）因其獨有的優(yōu)點，近年來得到了迅速發(fā)展。然而由于高溫度梯度和高冷卻速率的特性，增材制造樣品呈現(xiàn)出沿增材方向（BD）柱狀晶組織，以及力學(xué)性能各向異性和塑性不足。目前普遍采用后處理、合金成分設(shè)計、實時軋制、實時超聲處理等手段，無接觸調(diào)節(jié)金屬增材制造過程方法也同樣得到了廣泛關(guān)注。上海大學(xué)任忠鳴教授團隊長期從事電磁場下材料制備的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。

近日該團隊成員創(chuàng)新性地提出利用實時外加靜磁場調(diào)控L-DED成形Ti6Al4V合金微觀組織，在固液界面前沿初生枝晶周圍的產(chǎn)生熱電磁流動，實現(xiàn)了中組織、織構(gòu)和晶粒尺寸變化，最終在不損失塑性的前提下顯著提高了L-DED增材制造Ti6Al4V鈦合金的塑性，并減弱了力學(xué)性能各向異性。

圖 1（a） L-DED樣品在0.55 T橫向靜磁場下的凝固過程；（b）磁場強度分布；（c）凝固前沿的熱電流和熱電磁力；（d）、（g）增材制造樣品光鏡圖；（e） β晶粒顯微圖；（f）、（i）β晶粒尺寸直方圖

圖2（a）加磁場及（b）未加磁場樣品中β相的{001}XRD極圖；（c） 加磁場及（d）不加磁場樣品中β相的{110}XRD極圖；（e）、（f）為{110}極圖中<100>和<110>的標準極點。（g）（001）<100>織構(gòu)，無磁場和有磁場樣品的體積百分比

圖3 無磁場（a）~（d），有磁場（e）~（h）樣品的顯微表征：圖（a）、（e）為SEM圖；（b）、（f）為反極圖；圖（c）、（g）為（b）、（f）圖中對應(yīng)(0002) α的極圖；圖（d）、（h）為TEM暗場圖像

研究表明L-DED所具有的大溫度梯度特性使得凝固過程中糊狀區(qū)在靜磁場下產(chǎn)生作用于胞狀枝晶上的單向熱電磁力，該力足以扭曲糊狀區(qū)中的柱狀晶粒，從而改變初生β晶粒取向，得到織構(gòu)強度更低、尺寸更細小的初生β晶粒，且由于α相和初生β相取向遵循典型的伯恩斯關(guān)系，β織構(gòu)的減弱也促進了α相織構(gòu)強度的降低，增加了初生β晶界處不同取向的α形核數(shù)量，進一步減少影響性能的魏氏體組織，并且形成了不連續(xù)的晶界α相。由于晶粒的細化、強織構(gòu)的改善及晶界連續(xù)α相的消失，在減緩了樣品各向異性的同時，保證強度的前提下提升了樣品的塑性。平行和垂直增材方向的抗拉強度及屈服強度的差值分別為由未加磁場時的160MPa及130MPa縮減到加磁場后的56MPa和13.5MPa，有效改善了性能上的各向異性，并且垂直增材方向的延伸率從未加磁場的3.4±0.7%變?yōu)?0.8±2.8%，具有很大提升，同時平行增材方向的塑性也得到了一定的提高。

圖4 （a）有磁場及無磁場樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（b）本實驗樣品性能與不同狀態(tài)樣品性能對比

圖5（a） 和（c）α相的GBs 反極圖；（b）、（d）重建的β相反極圖；（e）和（f）對應(yīng)于（a）和（c）圖中的{0002}α極圖；（g） 和（h）對應(yīng)于（b）和（d）中的重構(gòu)β相{110}極圖

作者以雙相鈦合金Ti6Al4V為研究對象，在L-DED過程中添加無接觸外場——靜磁場對增材過程進行調(diào)控，結(jié)果表明橫向靜磁場能夠與熔體在短時間的相互作用下改變?nèi)鄢氐奈⒂^結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)材料的組織及織構(gòu)控制。研究中表明，在Ti6Al4V的L-DED過程中應(yīng)用靜磁場可以產(chǎn)生顯著的熱電磁力，引起β相的織構(gòu)和晶粒尺寸的變化，并對不連續(xù)αGBs的形成產(chǎn)生更深遠的影響，且磁場的加入導(dǎo)致不連續(xù)的α晶界提高了L-DED雙相鈦合金Ti6Al4V的塑性。該研究表面靜磁場可以有效控制激光增材制造過程，并實現(xiàn)微觀組織的無接觸式控制。為解決目前困擾激光增材制造領(lǐng)域的諸多難題，提供了潛在的解決方案。